Imaging measurements of volcanic SO2 using space and ground based sensors

third most abundant constituent after water vapor and carbon dioxide. SO2 flux measurements

are used to characterized and monitor volcanic degassing. This thesis presents advanced

methods for measuring the SO2 emitted in the troposphere by passive degassing volcanoes.

These methods are based on the absorption of infrared (IR) and ultraviolet (UV) light by SO2

molecules. They make use of the data acquired by satellite borne sensors (ASTER, OMI and

MODIS), and collected in the field using a UV camera equipped with filters

ASTER is a multispectral sensor observing the Earth in the thermal IR with a 90 m

ground resolution. The developed retrieval algorithm works with band ratios

(B10+B12)/2B11 and B14/B11, to avoid spectral interference from other variables than SO2.

With this algorithm, the impact of interferers such as atmospheric water vapor, sulfate

aerosols and ground emissivity is minimal, as demonstrated by radiative transfer simulations

by applying of the algorithm to real ASTER images and by comparing the results with ground

based data. ASTER is a kind of unifying thread for this thesis because its high ground

resolution fills the gap existing between highly localized ground based SO2 measurements and

the global coverage of other satellites with coarser pixels such as OMI and MODIS.

OMI is an imaging spectrometer operating in the UV, with a daily global coverage, a

high sensitivity to SO2 and a ground resolution of 13x24km. The OMI-ASTER comparison

shows that the SO2 columns measured on OMI pixels are two orders of magnitude smaller

than those of ASTER, because of the huge difference in the pixel size of the two satellites.

The flux measurements however are generally in good agreement. The analysis of a large

number of images shows that ASTER is better for cloud free scenes while OMI has an

optimal signal to noise ratio when the plume is lying above a low cloud cover. A practical

detection limit for SO2 flux measurements in tropospheric plumes has also been established:

5kg/s.

The comparison between ASTER measurements of SO2 column amounts with those of

MODIS (a multispectral IR imager with 1km ground resolution) shed light on systematic

errors in MODIS measurements. These errors were quantified and their origins were separated

and identified. This work demonstrates the limitations of MODIS for SO2 measurements.

A UV camera equipped with filters has also been developed to achieve 2D SO2 from the

ground at a high spatial and temporal resolution. The potential provided by this new type of

instruments has been demonstrated during a field campaign on Turrialba Volcano (Costa

Rica). The integration of measurements obtained using the camera, ASTER and OMI revealed

a high and sustained SO2 flux, which can be explained only by the degassing of a recently

intruded magma body. The slow decrease of SO2 flux since January 2010 suggests a

progressive exhaustion of the volatile content of the magma.

Finally, we applied the band ratio algorithm to a series of ASTER images of the recent

eruption of Eyjafjallajökull in April-May 2010. The SO2 measurements provide interesting

insights into the complex eruptive dynamics and into the control of hydromagmatic

interactions on eruptive gas release into the atmosphere. /

Le dioxyde de soufre (SO2) est un gaz typique du dégazage magmatique de haute

température, dont il est le troisième composant le plus abondant derrière H2O et CO2. Le flux

de SO2 est un excellent paramètre pour caractériser le dégazage volcanique et surveiller son

évolution dans le temps. Cette thèse présente de nouvelles méthodes de mesures des flux de

SO2 émis par l’activité volcanique. Ces méthodes se basent sur l’absorption de la molécule de

SO2 dans l’infrarouge (IR) et l’ultraviolet (UV). Elles utilisent les données prises par des

senseurs embarqués sur des satellites (ASTER, OMI et MODIS) ou opérés depuis le sol

(caméra UV munie de filtres).

Le senseur ASTER opère dans l’IR thermique avec une résolution spatiale de 90 m par

pixel. L’algorithme de mesure développé pour ce satellite n’est sensible qu’à la concentration

en SO2 et pratiquement pas aux paramètres interférents qui posaient problèmes aux méthodes

existantes : la vapeur d’eau atmosphérique, les aérosols de sulfate dans le panache et

l’émissivité de la surface sous-jacente. ASTER est un peu le fil conducteur de cette thèse, car

sa haute résolution spatiale lui permet de faire le lien entre des mesures au sol et les mesures

faites par d’autres satellites comme OMI et MODIS.

Le satellite OMI est un spectromètre imageant qui opère dans l’UV, avec une

couverture globale journalière, une haute sensitivité au SO2 et une résolution spatiale de

13x24km. La comparaison OMI-ASTER montre que les colonnes mesurées sur les pixels

d’OMI sont de deux ordres de grandeur inférieurs à celles d’ASTER, à cause de la différence

de résolution spatiale entre les deux satellites. Les mesures de flux, par contre, montrent une

très bonne concordance. L’analyse d’un grand nombre d’images a permis d’établir qu’ASTER

est meilleur pour des scènes sans nuages tandis qu’OMI est meilleur quand une couverture

nuageuse présente sous le panache augmente son rapport signal sur bruit. Une limite de

détection pratique a aussi été établie pour les flux de SO2 dans les panaches volcaniques dans

la basse troposphère : 5kg/s.

La comparaison des mesures d’ASTER avec celle de MODIS a permis de démontrer les

limites de MODIS pour la mesure du SO2. Des erreurs systématiques sur les mesures de

MODIS on été mises en évidence et quantifiées. Ces erreurs sont dues aux interférents

spectraux que sont la vapeur d’eau atmosphérique et les aérosols sulfatés. L’émissivité est

aussi un important facteur d’erreur pour MODIS.

Une caméra UV équipée d’un système de filtres a également été développée pour

mesurer le SO2 en 2D, à haute résolution spatiale et temporelle. Le potentiel offert par ce

nouveau type d’instrument a été démontré lors d’une campagne de mesures sur le volcan

Turrialba (Costa Rica). La combinaison de mesures de SO2 réalisée avec la caméra, ASTER

et OMI a permis de mettre en évidence des flux très élevés (30-50kg/s) qui ne peuvent

s’expliquer que par une intrusion récente de magma juvénile en cours de dégazage.

Enfin, les mesures de SO2 ont réalisées à partir des images ASTER pendant l’éruption

du volcan Eyjafjallajökull en avril-mai 2010. Ces mesures fournissent des informations

intéressantes sur les dynamismes éruptifs qui se sont succédé et sur le contrôle des émissions

de SO2 dans l’atmosphère par les interactions magma-eau.